几种煤气化工艺的优缺点.doc

浅谈几种煤气化工艺的优缺点我国石油、天然气资源短缺，煤炭资源相对丰富。发展煤化工产业，有利于推动石油替代战略的实施，满足经济社会发展的需要，煤化工产业的发展对于缓解我国石油、天然气等优质能源供求矛盾，促进钢铁、化工、轻工和农业的发展，发挥了重要的作用。因此，加快煤化工产业发展是必要的。1各类气化技术现状和气化特征煤化工要发展，一个重要的工艺环节就是煤气化技术要发展。我国自上世纪80年代就开始引进国外的煤气化技术，包括早期引进的Lurgi固定床气化、U-gas流化床气化、Texaco水煤浆气流床气化，Shell气流床粉煤气化、以及近期拟引进的BGL碎煤熔渣气化、GSP气流床粉煤气化等等，世界上所有的气化技术在我国几乎都是有应用，正因为我国是一个以煤为主要燃料的国家，世界上也只有我国使用如此众多种类的煤气化技术。随着煤气化联合循环发电(IGCC)、煤制油(CTL)、煤基甲醇制烯烃(MTP&MTO)等煤化工技术的发展，用煤生产合成气和燃气的加压气化工艺近年来有了较快的发展。Lurgi固定床气化、Texaco水煤浆气化、Shell干粉加压气化、GSP干粉加压气化、BGL碎煤熔渣气化、以及我国自有知识产权的多喷嘴水煤浆气化、加压两段干煤粉气流床气化、多元料浆气化等等技术在我国的煤化工领域展开了激烈的竞争，对促进煤化工的发展做出了贡献。Lurgi固定床气化工艺在我国有哈气化、义马、天脊、云南解肥、兰州煤气厂等6个厂；Texaco水煤浆气化工艺已在我国鲁南、上海焦化、渭化、淮化、浩良河、金陵石化、南化等9个厂投入生产，情况良好；Shell干粉加压气化技术在我国已经有双环、洞氮、枝江、安庆、柳化等5个厂投产，还有10余个项目正在安装，将于今后几年陆续投产；多喷嘴水煤浆气化已在山东华鲁恒升、兖矿国泰2个厂投运，还有7个厂家正在安装，最晚在2009年投产；GSP干煤粉气化技术在神华宁夏煤业集团和山西兰花煤化工有限责任公司的煤化工厂也将投入建设；加压两段干煤粉气流床气化技术已通过中试验收，华能集团“绿色煤电”项目2000t/d级和内蒙古世林化工有限公司1000t/d级的气化装置正在设计安装中。在我国，目前不少煤化工生产企业都在选择适合自己的气化工艺技术，有不少想采用气流床气化工艺。现有的气流床气化工艺按进料形式不同，可分成干煤粉进料和水煤浆进料两大类；以炉内气流方向分，可分为上行和下行两类；以工艺流程可分为废锅型和激冷型两类；按喷嘴的数量和布置来分，又可分为单喷嘴直喷和多喷嘴对喷两类；以气化炉内是否衬有耐火保温材料来分，又有热炉壁和水冷壁两种；以进料方式来分，又有一段和两段两种。气化炉特点分类气化特点shellTexaco多喷嘴水煤浆GSP两段干煤粉气化Lurgi进料形式干煤粉水煤浆水煤浆干煤粉干煤粉碎煤块气流方向上行下行下行下行上行上行喷嘴的数量多个单个多个单个多个单个（气化剂）炉壁形式水冷壁耐火砖耐火砖水冷壁水冷壁夹套水冷壁进料方式中间对喷顶部直喷中间对喷顶部直喷中间二段顶部排渣方式液态排渣液态排渣液态排渣液态排渣液态排渣固态排渣热量回收废锅激冷激冷激冷废锅和激冷废锅2各类气化技术的特点2.1 Lurgi固定床气化工艺鲁奇加压气化是移动床逆流固定床气化炉工艺过程，属于是固态排渣。鲁奇碎煤加压气化对原料煤种的适应性广，能气化从无烟煤到褐煤的各种煤系列，要求煤的灰熔点高、煤的活性和挥发性较高、入炉煤粒度范围限制在430mm，蒸汽消耗是比较高的。气化可用空气、富氧、纯氧作气化剂，制取低热值工业燃料气、中热值城市煤气和合成气，由于煤气中含有较多甲烷，适宜作城市煤气，或在生产合成气时联产城市煤气。若把其中甲烷再转化成合成气，将使生产流程复杂。而且煤气化排水中含有较多的焦油、酚类、氨等物质，需要配置庞大污水处理装置。现在我国运行的除云南解化和山西天脊是用来生产合成氨外，其余均是用来生产城市煤气。工厂名称气化炉数量气化压力MPa气化炉规格产品投产时间云南解化化肥厂5台2.952760合成氨不详山西天脊化肥厂5台2.953800合成氨1992兰州煤气厂5台2.952760城市煤气1994哈尔滨依兰气化厂5台2.953800城市煤气1988长春第一汽车制造厂3台2.951800城市煤气1988河南义马煤气厂4台2.953800城市煤气1996 2.2 德士古(Texaco)水煤浆气化工艺德土古气化技术是下喷式单喷嘴水煤浆气化技术，在它应用的工程项目中，大部分是采用水激冷工艺流程，但在用于IGCC发电项目时，也采用废锅流程。国内单炉容量目前最大可达1000td投煤量，操作压力大都采用4.0MPa、6.5MPa，个别项目也已达到8.4MPa。我国引进该技术最早的是山东鲁南化肥厂，于1993年投产，目前已有近十个厂家使用。工厂名称气化炉数量气化压力MPa投煤量t/d热量回收产品投产时间鲁南化肥厂2台2.7360激冷合成氨1993上海焦化厂4台4.0500激冷甲醇、CO1995渭河化肥厂3台6.5500激冷合成氨1996淮南化肥厂3台4.0500激冷合成氨2000金陵石化厂3台4.0800激冷合成氨2005浩良河化肥厂3台4.0480激冷合成氨2005南化公司2台8.41000激冷合成氨、甲醇2006神木化工厂3台4.0450激冷甲醇2006南京惠生化学4台4.0500激冷甲醇、CO2007德士古气化技术在我国经过10多年的应用，无疑是最成熟的技术。从技术的掌握和操作的熟练，到设备的国产化和配套的耐火材料的制造都有较大的优势。它的主要优点是较易升高压力，南化的气化炉压力达到了8.4MPa；这样就可能实现甲醇的等压合成，对合成气的生产十分有利。它存在的主要问题是水煤浆中约有40的水，使合成气的热值降低。对煤质的要求较严格，如煤的含水率不能高于8%、灰分不宜大于20%、灰熔点不宜高过1350，而且气化效率相对较低(碳转化率约为94-95，气化效率约65)，比氧耗是各种气流床气化工艺中最高的，约为420450m3/km3(CO+H2)；耐火衬里的寿命短，喷嘴易磨损。2.3 壳牌(Shell)干粉煤气化技术壳牌(Shell)干粉煤气化技术是采用多喷嘴上行干煤粉气化工艺，采用水冷壁炉，冷煤气回炉激冷热煤气煤气冷却国内目前采用的均是废锅流程，Shell公司目前正在开发激冷流程。该气化工艺具有如下特点：(1)采用干煤粉作气化原料，煤粉用惰气输送，操作十分安全。对煤种的适应性比较广泛，从较差的褐煤、次烟煤、烟煤到无烟煤、石油焦均可使用；对煤的灰熔点适应范围比其它气化工艺更宽，即使是高灰分、高水分、高硫的煤种也能使用。(2)气化温度高，一般在14001600，碳转化率高达99%，合成气质量好。煤气中甲烷含量极少，不含重烃，CO+H2达到90%。由于气体中有效组分高，煤气总量有所减少，因而气化消耗煤量也可降低。(3)氧耗低。采用干煤粉进料与水煤浆气化相比不需在炉内蒸发水分，氧气用量因而可减少1525%，从而降低了成本。配套空分装置规模相对缩小，投资也可相应降低。(4)气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里。水冷壁设计寿命按25年考虑。正常使用维护量很小，运行周期长，也无需设置备用炉。单台炉日处理煤量大,目前已达2800吨。(5)每台气化炉设有46个烧嘴，故对生产负荷调节比GSP或Texaco单个烧嘴更为灵活，范围也更宽。Shell烧嘴保证寿命为8000小时，已超过连续16000小时运行。烧嘴的使用寿命长，也是气化装置能长期运行的一个重要保证。(6)热效率高。Shell煤气化的冷煤气效率达到7883%，其余15%副产高压或中压蒸汽，总的原料煤的热效率达98%，处于很高水平。(7)对环境影响小。气化过程无废气排放。系统排出的融渣和飞灰含碳低，可作为水泥等建筑材料，堆放时也无污染物渗出。气化污水不含焦油、 酚等，容易处理，需要时可作到零排放。该技术由于采用了废锅流程，其最大的缺点就是投资较大。我国引进该技术最早的是湖北双环化工厂，于2006年5月投产，目前已有15个厂家使用。工厂名称气化炉数量气化压力MPa投煤量t/d热量回收产品投产时间湖北双环化工厂1台2.81000废锅20万吨/年合成氨2006.5中石化洞庭化肥厂1台4.02000废锅30万吨/年合成氨2006.12中石化安庆氮肥厂1台4.02000废锅30万吨/年合成氨2006.11中石化湖北化肥厂1台4.02000废锅30万吨/年合成氨2006.12柳州化肥厂1台4.01300废锅30万吨/年合成氨2007.1云天化股份有限公司1台4.02600废锅50万吨/年合成氨预计2007.12云维集团沾化股份公司1台4.02600废锅50万吨/年合成氨预计2007.12大连大化集团公司1台4.01300废锅30万吨/年甲醇预计2008.1河南开祥煤电公司1台4.01300废锅30万吨/年甲醇预计2008.2中原大化集团1台4.02200废锅50万吨/年甲醇预计2008.2河南永城煤电集团1台4.02200废锅50万吨/年甲醇预计2008.1神华煤制油公司2台4.02400废锅100万吨/年油品预计2008.6大唐国际发电公司3台4.02800废锅48万吨/年聚丙烯预计2009.8天津碱厂2台4.02200废锅30万吨/年合成氨50万吨/年甲醇预计2009.5贵州天福化工有限公司1台4.02200废锅30万吨/年合成氨15万吨/年二甲醚预计2009.102.4 GSP气化技术GSP气化技术是单喷嘴下喷式干煤粉加压气流床气化技术，国外现在没有用户，根据煤气用途不同可用直接水激冷，也可用废锅回收热量。该技术由我国神华宁煤集团与德国西门子合资组建的北京杰斯菲克公司负责在我国推广这项技术。GSP技术采用了干煤粉进料、水冷膜壁，既扩大了煤种范围，又避开了耐火砖的麻烦。下喷的直接水激冷使其装置投资大幅度下降。干煤粉气化有诸多优点，如适用煤种广、效率高、可用水冷壁、氧耗低。在GSP气化炉采用的是一个组合式的喷嘴，喷嘴中心有一个点火喷嘴，点火初期用天然气，正常生产时可以改用合成气驰放气。目前采用设计能力1000td以下的气化炉，应该不会有太大的风险。再放大（如2000td）时，一般单喷嘴容易受到限制，这也是应该考虑的。但GSP气化技术目前最大的缺点是没有一个成功运行的经验，在单炉生产能力和长期运行方面还存在不足。目前已运行过的装置在德国黑水泵厂也只有运行2000多小时的运行记录，单炉能力只有720 t/d的规模。2000td的装置还需几年后才能在宁夏投入生产（52万吨/年煤基烯烃）。安徽淮化厂和江苏灵谷集团都已经和杰斯菲克公司签定了GSP的技术转让合同，但是在看到神华宁煤集团公司的40万吨/年二甲醚项目中GSP工艺包迟迟不能交付、工艺包中的问题较多以及将GSP技术不用在该（40万吨/年二甲醚）项目的消息后，先后停止了与GSP技术的合作，而改为德士古(Texaco)水煤浆和多喷嘴水煤浆技术生产合成气。2.5多喷嘴水煤浆气化技术该项技术是由兖矿集团有限公司、华东理工大学共同承担“十五”国家高技术研究发展计划（863计划）的重大课题，2000年10月通过国家石油和化学工业局组织的鉴定和验收。示范厂为兖矿国泰化工有限公司，建设了2套日处理煤1150t的多喷嘴对置式水煤浆气化装置(40MPa)，配套生产24万吨甲醇，联产718MW发电，装置已于 2005年10月投入运行。2005年7月，气化装置化工投料一次成功，10月装置实现正常运行，目前正处于稳定的运转状态。该技术从工艺技术到设备的国产化和配套的耐火材料的制造都具有较大的优势。由于该技术还是采用的水煤浆的气化原理，它仍然存在着同德士古(Texaco)一样对煤质要求较严格的主要问题，如水煤浆中约有40的水，使合成气的热值降低。，如煤的含水率不能高于8%、灰分不易大于20%、灰熔点不易高过1350，而且气化效率相对较低、氧耗高、对煤质要求高、耐火砖寿命短、喷嘴寿命短等，不会有根本性的改变，多喷嘴多路控制系统还增加了设备投资和维修工作量。 2005年12月对该装置进行了考核，碳转化率98；比氧耗309m3/km3(CO+H2)；合成气中有效成分CO+H2 84.9，气化温度1300。工厂名称气化炉数量气化压力MPa气化炉规格投煤量t/d产品投产时间兖矿国泰2台4.034001150甲醇、发电2005华鲁恒升1台6.52800750甲醇2005兖矿国泰1台4.034001150甲醇、醋酸预计2007.8鲁南化肥厂1台4.034001150合成氨、甲醇预计2008.6江苏灵谷2台4.038801800合成氨预计2009.1滕州凤凰化肥厂2台6.534001500合成氨、甲醇预计2008.11江苏索普有限公司3台6.534001500甲醇、醋酸预计2009.3神华宁煤集团3台4.038802000甲醇预计2009.7宁波万华聚氨酯公司3台6.532001000甲醇、CO预计2009.72.6加压两段干煤粉气化技术加压两段干煤粉气化技术是由西安热工研究院等单位在科技部支持下，于1994年开始研究，2004年建成一套日处理煤量3640吨（10MW/h）的中试装置。该技术同shell干粉煤气化技术理念相同，是采用多喷嘴上行干煤粉气化工艺，采用水冷壁炉，上部喷煤粉激冷。该气化炉的外壳为一直立圆筒，炉膛采用水冷壁结构，炉膛分为上炉膛和下炉膛两段，下炉膛是第一反应区，用于输入煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛的两侧壁上。渣口设在下炉膛底部高温段，采用液态排渣。上炉膛为第二反应区，其内径较下炉膛的内径小，高度较长，在上炉膛的侧壁上开有两个对称的二次粉煤和水蒸气进口。运行时，由气化炉下段喷入干煤粉、氧气(纯氧或富氧)以及蒸汽，所喷入的煤粉量占总煤量的8085，在上炉膛进口处喷入过热蒸汽和粉煤，所喷入量占总煤量的1520。该装置中上段炉的作用主要有二：其一是代替循环合成气使温度高达1400的煤气急冷至约900，其二则是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化，提高总的冷煤气效率和热效率。煤气冷却可以采用废锅流程和激冷流程。避免了水煤浆气化中对煤质要求较严格的问题、煤的含水率、灰分、灰熔点不易高、氧耗高、耐火砖寿命短、喷嘴寿命短等问题。该气化技术同样具有对煤种的适应性比较广泛、气化温度高、氧耗低、气化炉采用水冷壁结构寿命长、多烧嘴、热效率高、对环境影响小等干煤粉气化所具有的优点。目前最大的缺点是没有一个工业化成功运行的经验。该技术目前已有2个厂家使用。工厂名称气化炉数量气化压力MPa投煤量t/d热量回收产品投产时间华能集团“绿色煤电”项目1台2.82000废锅250MW IGCC发电预计2009内蒙古世林化工有限公司1台4.01300激冷30万吨/年甲醇预计20092.7 BGL碎煤熔渣气化技术BGL(British Gas-Lurgi英国燃气鲁奇)碎煤熔渣气化炉技术是在原鲁奇固定床加压气化炉2、3、4型炉技术基础上，由当时的英国燃气公司科技开发部(现Advantica公司)在德国鲁奇公司的协助下，在位于英国爱丁堡附近的西田(Westfield)煤气化试验厂开发出来的新型煤气化技术。BGL熔渣气化技术将高温熔渣气化与加压固定床气化的技术结合在一起，上部还是Lurgi固定床区域，下部增加了一个高温熔渣区，克服固定床气化技术的一些缺点，提高了气化强度、降低了氧耗、提高了气化效率。BGL气化技术开发的初期，主要针对大规模高效生产替代天然气，应对当时可能发生的欧美天然气供应源由于国际政治原因或开采生产原因枯竭。云南解化集团与Advantiea公司合作，采用英国西田煤气化试验厂的设计方案，改造了一台Lurgi固定床加压气化炉，作为试验和示范炉，探索直接试烧当地高含水量(约35水分)褐煤的途径。2006年7月完成炉体改造，截至2007年5月，进行了8次开车试验，并未达到预期目标。合成气中CH4的含量仍然高达68%，目前在改进中。目前最大的缺点是没有一个工业化成功运行的经验。3 各类技术中特点的优缺点对比目前工业生产上各类可采用的气化技术如上所述，这些工艺各有优缺点。在具体的气化工艺选择中，还要考虑拟使用的煤种的水含量、灰份、灰融点、可磨性、气化特性等等；以及合成气的用途和质量要求；作为业主和设计人员，在选择新技术时，首先考虑的应是技术成熟性、可靠性及经济性等方面的因素。3.1 水煤浆与干粉 水煤浆中近40的水会吸收大量的热，为了维持热平衡，所以合成气中的CO2含量高。水煤浆气化工艺对耐火砖内层是要求较高的，没有好的耐火砖内衬，水煤浆气化就无法进行。为了维持耐火砖的一定寿命，炉内的操作温度不得高过1400C。煤浆浓度对煤的成浆性有要求；对煤中的灰含量和灰熔融性温度也会有要求等，这些要求造成可用煤的范围变窄。但水煤浆的制备和加压输送比干煤粉要容易，投资和运行成本低，在高压下气化可以节省后面工序的压缩功。3.2 水冷壁炉和耐火砖热壁炉 对于高温熔融态排渣的加压气化技术来说，冷、热壁炉是影响气化温度的主要因素。气化温度越高，所适用的煤质范围就越广；气化后的气体成分也就越好。内衬耐高温熔渣侵蚀的耐火砖虽然可以大量减少炉壁的热量损失，有利于较好气化热平衡的实现，但在长期高温熔渣冲蚀的耐火衬里容易损坏，为了满足工艺生产的需要，它必须要有备用炉，我国现在对耐火衬里材料的生产也基本实现了国产化。水冷壁炉虽然可以承受较高温度的生产，也不需备用炉，但它也需要采用高铬镍的特种钢制造，制造难度和制造成本较高，国内目前无法生产。 3.3 单喷嘴和多喷嘴水煤浆的德士古工艺和干煤粉的 GSP工艺均采用单喷嘴直喷，而壳牌（shell）、华东理工大学和西安热工研究院的都采用多喷嘴对喷。单个喷嘴的容量总是受一定的限制，要扩大单炉的投煤量和调节生产负荷，多喷嘴是比单喷嘴要较为方便的多；如壳牌大容积的气化炉(4000td)就考虑增加一对喷嘴，即6喷嘴的；单喷嘴在结构制造和维护上要比多喷嘴的复杂和难度大些；多喷嘴在对喷过程中因气流对撞和折流的结果使气固相间的相对速度加大，有利气化反应进行，多喷嘴水煤浆气化技术的运行结果中的碳转化率比德士古工艺提高就是证明。3.4 废锅流程与激冷流程德士古、GSP、多喷嘴水煤浆气化的几种工艺均采用激冷流程，激冷工艺设备简单、投资低、煤气中夹带的大量水蒸气可供后边CO变换使用，一般认为较适合于合成气生产使用。废锅流程可回收高温煤气中的大量显热，产生高压蒸汽，达到较高的热效率，但燃气在废锅前的煤气激冷、去除渣尘等措施使得该系统变得庞大、复杂、和投资较高。采用冷合成气激冷，需要对大量的冷合成气加压，投资和动力消耗都增加了。结合中国的国情，在用于化